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    如何用通俗的语言向孩子解释「太阳风是怎样形成的」?
    作者:admin    发布于:2024-03-13 09:27    文字:【】【】【
    摘要:,指的是这种物质的气态与其非气态达到平衡状态时的压强。任何液态物质都有挥发成为气态的趋势,而其气态也同样具有凝结为液态的趋势。在给定温度下,该物质的气态和液态之间

      ,指的是这种物质的气态与其非气态达到平衡状态时的压强。任何液态物质都有挥发成为气态的趋势,而其气态也同样具有凝结为液态的趋势。在给定温度下,该物质的气态和液态之间会在某一个压强下存在动态平衡。而这个压强就是该物质在这个温度下的

      沸腾的本质就是你把水加热之后,水的饱和蒸气压变得比大气压要强——大气已经没有办法把这些水分子压成一团了。于是这些水分子得以突破大气压强的桎梏,成为了一团自由的水蒸气。

      尤金·帕克在上世纪五十年代研究太阳风的时候发现,假如太阳的大气和地球的大气一样是静态的,那么无穷远处的太阳大气压强会比当时认为的星际压强要大好几个数量级。一个简单的估算如下:

      其中P_0是太阳表面的压强,G是引力常数,M_s是太阳质量,m是质子质量,k是玻尔兹曼常数,T是太阳大气温度,R是太阳半径。那么我们对比一下太阳大气无穷远处的压强和当时认为的星际物质压强(P_{int}=10^{-13}Pa)

      这里问题就大了!如果无穷远处的太阳大气压强比星际压强要强,那太阳大气就没有办法被星际物质压制住——就和烧开的水一样,是没有办法被压制住的。因此帕克在1958年的一篇文章中推断,太阳存在一个稳定的向外流动的物质流,也就是太阳风。

      当然啦,这都是非常简单的一个类比,只解释了为什么太阳会有太阳风,而没有解释太阳风具体是如何形成的。而其中其实很多假设都不一定是可以站得住脚的。比如说,帕克在解太阳风的时候假定太阳大气是等温膨胀的。如果你学过热学,你应该知道等温膨胀的大气是需要热源的,这里就涉及到太阳风物理里面一个很重要的问题了——太阳风是如何被加热的呢?

      还有就是多普勒仪的观测数据表明,太阳表面的气体径向速度只有数十公里每秒,而在十几个太阳半径外,太阳风就被加速到超声速的400公里每秒了。这中间太阳风是如何被加热和加速的,都是悬而未决的问题。

      为了解决这些问题,NASA在2018年发射了一颗探测器——帕克太阳探针号,去探索这些令人兴奋的科学问题的答案。在7年的旅程中,这艘飞船将在24次太阳环绕中逐渐靠近太阳,直到进入到10个太阳半径内的太阳风源区(帕克的太阳风解表明,太阳风会在10个太阳半径左右的地方加速到超过太阳风热声速2kT/m,也就是超声速)。在那里,帕克太阳探针号将为我们解答太阳风起源的秘密。

      值得一提的是,2020年初,尤金·帕克教授荣获了与诺贝尔奖齐名的克拉福德天文学奖(2020 Crafoord Prize in Astronomy),以表彰他在 太阳风 和 从恒星到星系尺度的磁场 研究上所作出的开创性贡献。让我们一起祝愿老爷子能身体健康,等到2024年帕克太阳探针号飞到太阳风源区,去探索他半个多世纪前的伟大预言。

      太阳风是从太阳高层大气(日冕)散发出来的高速带电粒子,它的运动速度克服了太阳引力,就像在炉子上烧水时从水面上散发出来的水蒸汽。

      水蒸气越远离水面就变得越冷、上升也越缓慢,而日冕和太阳风却有反常的加热与加速现象,这里面的原因还是一个谜。科学上的猜测有磁流体波与湍流的影响、声波加热、离子回旋波共鸣等。这些知识在孩子到了大学选了物理系才会接触到,但如果孩子对后面这些有兴趣,也可以继续讲。

      地球附近我们能测到的太阳风是200~800km/s,但是在低日冕,初生太阳风只有~10km/s。所以「太阳风是怎样形成的」这个问题就是在问太阳风由约 10km/s 加速至数百 km/s 的机制。

      而这个问题再太阳物理和空间物理研究中占据着核心的地位, 同时也是空间物理领域最重要却悬而未决的课题之一。

      其目的之一就是探究是什么机制让离子流从低速初生太阳风加速到行星际中太阳风速度水平。

      所以,如果真的有小孩问,太阳风是如何形成的?告诉他这个问题现在世界上没人知道,保持好奇。

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